TNU Journal of Science and Technology
229(10): 132 - 141
http://jst.tnu.edu.vn 132 Email: jst@tnu.edu.vn
RESEARCH AND SELECTION OF REACTIVE POWER CONTROL
METHODS FOR LARGE SCALE SOLAR POWER SOURCE IN URBAN
DISTRIBUTION NETWORK
Vu Hoang Giang*, Nguyen Huu Duc
Electric Power University
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Received:
21/02/2024
With the rapid development of rooftop solar power sources in the past 5 years
in Vietnam and the strong orientation of developing these sources in the
future according to the Power Development Plan 8, many challenges in
distribution grid operation have arisen. One of the issues is to ensure voltage
tolerance when connecting to the rooftop solar power source. This paper
presents methods for controlling reactive power for rooftop solar power
sources, thereby helping to ensure that voltage at the point of connection
(PCC) is within the allowed limits according to relevant regulations. The
methods with their advantages and disadvantages are analyzed. There are
three methods such as the reactive power control method with constant
coefficient; the reactive power control method as a function of the active
power output of solar power sources; and the method regulating reactive
power as a function of voltage at the PCC point. Through analysis and
evaluation, the third method is selected. Matlab/Simulink software was used
to simulate and realize the effectiveness of this control method. The
simulation results show the effectiveness of the method in ensuring that
voltage at the PCC point is within the allowable limit.
Revised:
31/5/2024
Published:
31/5/2024
KEYWORDS
Rooftop photovoltaics
Reactive power control
Power system interconnection
Power system modeling
Distributed power generation
NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG CHO NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI MÁI NHÀ CÔNG SUẤT LỚN
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐÔ THỊ
THÔNG TIN BÀI BÁO
TÓM TẮT
Ngày nhận bài:
21/02/2024
Sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện mặt trời mái nhà trong 5 năm
qua tại Việt Nam và định hướng phát triển mạnh mẽ các nguồn này trong
tương lai theo Quy hoạch điện 8 đã đặt ra nhiều thách thức trong vận hành
lưới điện phân phối. Một trong các thách thức là đảm bảo chất lượng điện áp
khi kết nối nguồn điện mặt trời mái nhà. Bài báo trình bày các phương pháp
điều kiển công suất phản kháng cho nguồn điện mặt trời mái nhà qua đó giúp
đảm bảo điện áp điểm kết nối (PCC) với lưới điện nằm trong giới hạn cho
phép theo quy định. Các phương pháp được trình bày và phân tích ưu nhược
điểm khi áp dụng. Phương pháp điều khiển công suất phản kháng với hệ số
không đổi; phương pháp điều khiển công suất phản kháng theo hàm số phụ
thuộc công suất tác dụng phát lên lưới của các nguồn điện mặt trời; và
phương pháp điều kiển công suất xét tới sự biến động của điện áp tại điểm
PCC. Qua phân tích và đánh giá, phương pháp thứ 3 được lựa chọn. Các kết
quả mô phỏng kiểm chứng so sánh hiệu quả phương pháp điều khiển thứ 3
được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả cho thấy sự hiệu
quả của phương pháp điều khiển thứ 3 trong việc đảm bảo điện áp điểm PCC
nằm trong giới hạn cho phép.
Ngày hoàn thiện:
31/5/2024
Ngày đăng:
31/5/2024
TỪ KHÓA
Điện mặt trời mái nhà
Điều khiển công suất phản kháng
Kết nối hệ thống điện
Mô phỏng hệ thống điện
Nguồn phân tán
DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.9742
* Corresponding author. Email: giangvh@epu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology
229(10): 132 - 141
http://jst.tnu.edu.vn 133 Email: jst@tnu.edu.vn
1. Giới thiệu
Ở Việt Nam, khu vực giàu tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo (gió, mặt trời,...) là vùng
ven biển Nam Trung Bộ. Tại đây có thể phát triển các nhà máy phát điện sử dụng năng lượng tái
tạo với quy mô lớn. Bên cạnh đó, ở nhiều khu vực khác, đặc biệt là các thành phố có mật độ phụ
tải lớn, việc tận dụng diện tích của các công trình để phát triển các nguồn điện mái nhà cung cấp
điện tại chỗ đóng một vai trò quan trọng trong đáp ứng nhu cầu phụ tải và hỗ trợ tích cực trong
công tác quản lý vận hành hệ thống điện. Các nguồn điện mặt trời với công suất khác nhau cũng
có tác động khác nhau theo cả hai hướng tích cực và tiêu cực lên lưới điện được tích hợp.
Khi mức độ thâm nhập của PV vào lưới điện tăng lên thì những tác động của nó lên các xuất
tuyến trung áp trở nên đáng kể và thu hút sự chú ý của các bên liên quan về cả kinh tế và kỹ
thuật. Sự ảnh hưởng của điện mặt trời tới chất lượng điện áp và tổn thất trong xuất tuyến có mức
độ thâm nhập cao đã được tính toán và phân tích trong nghiên cứu [1]. Trong đó, bằng ứng dụng
thuật toán lưới tìm kiếm (Grid Search Algorithm), giải pháp về tái cấu trúc trong vận hành xuất
tuyến có thể được đưa ra với các tiêu chí đảm bảo chất lượng điện áp theo quy định và giảm tổn
thất công suất của xuất tuyến. Lý thuyết độ nhạy điều chỉnh tổn thất công suất và thuật toán di
truyền được sử dụng trong [2] để xác định vị trí của điện mặt trời và điều chỉnh công suất phát
cho phép giảm tổn thất công suất rất đáng kể, lên đến 50% so với khi không áp dụng giải pháp.
Ngoài ra, sự tăng cao của điện áp trong lưới điện cũng được hạn chế. Trong [3], tác giả đã giới
thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điện mặt trời tới hệ thống bảo vệ rơ le cho một xuất
tuyến trung áp điển hình. Kết quả cho thấy, sự có mặt của điện mặt trời làm thay đổi trào lưu
công suất trên lưới và có thể dẫn đến tác động chậm, thậm chí tác động sai của rơ le bảo vệ. Gần
đây, nghiên cứu đánh giá tác động của điện mặt trời tới điện áp các nút trong lưới điện phân phối
đô thị đã được giới thiệu trong [4]. Trong đó, đặc điểm điển hình của lưới điện đô thị và dữ liệu
đầu vào về cường độ bức xạ mặt trời của Việt Nam đã được xét đến.
Các tác động thường được xem xét phổ biến trong khoảng thời gian một số ngày. Tác động
của PV lên xuất tuyến cũng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc và đặc tính vận hành của nó cũng
như loại xuất tuyến và vị trí trên các vĩ độ khác nhau. Sự tác động của PV lên lưới điện nông thôn
và thành thị là khác nhau do các yếu tố về môi trường tự nhiên và kinh tế xã hội. Lưới điện thành
thị thường có mật độ cao đến 5 MVA/km2, lớn hơn so với khu vực nông thôn, mật độ vào khoảng
0,2-2,5 MVA/km2 [5].
Ở các đô thị, nhiều tòa nhà trung tâm thương mại với diện tích có thể lắp đặt điện mặt trời công
suất lớn đặt ra vấn đề về duy trì điện áp vận hành tại điểm kết nối (PCC) trong giới hạn cho phép.
Theo tiêu chuẩn [6], yêu cầu về chức năng điều khiển điện áp và công suất phản kháng/tác
dụng đối với các nguồn phân tán (DER) theo phân nhóm A và B như sau:
Điều chỉnh điện áp thông qua điều khiển công suất phản kháng theo các chế độ: hệ số công
suất không đổi, quan hệ điện áp-công suất phản kháng (thường gọi là chế độ volt-var), công suất
phản kháng không đổi là bắt buộc đối với cả hai nhóm; điều khiển công suất tác dụng-công suất
phản kháng (thường gọi là chế độ watt-var) chỉ bắt buộc đối với DER thuộc nhóm B.
Điều khiển công suất tác dụng và điện áp: chỉ bắt buộc đối với DER thuộc nhóm B.
DER phải có khả năng cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng ứng với công suất tác
dụng phát ra lớn hơn hoặc bằng công suất tác dụng cực tiểu ở chế độ xác lập (Pmin) hoặc 5% công
suất tác dụng định mức, tùy theo giá trị nào lớn hơn. DER phải có khả năng điều chỉnh điện áp
bằng cách thay đổi công suất phản kháng theo các chế độ điều khiển kể trên.
Để hạn chế các tác động tiêu cực, nâng cao hiệu quả vận hành và cung cấp dịch vụ phụ trợ
trong hỗ trợ vận hành lưới điện, điều khiển công suất tác dụng phát ra và công suất phản kháng
trao đổi với lưới điện là không thể thiếu, đặc biệt trong các hệ thống điện có mức độ thâm nhập
của DER lớn. Các nghiên cứu vừa qua đã từng phần giải quyết các vấn đề liên quan đến điều
khiển công suất và điện áp, tăng cường sự hỗ trợ của các hệ thống điện mặt trời đối với lưới điện.
Điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện mặt trời đã được giới thiệu trong
TNU Journal of Science and Technology
229(10): 132 - 141
http://jst.tnu.edu.vn 134 Email: jst@tnu.edu.vn
[7] nhằm đáp ứng được yêu cầu vận hành trong chế độ bình thường và khi có ngắn mạch. Trong
[8], nghiên cứu mô phỏng điều khiển công suất phản kháng của hệ thống điện mặt trời đơn giản
đã được thực hiện trên phần mềm PSCAD/EMTDC. Kết quả nghiên cứu về điều khiển thích nghi
công suất phản kháng trong lưới phân phối đã được giới thiệu trong [9]. Với mục tiêu đảm bảo
các máy biến áp trong lưới điện không bị quá tải, các tác giả trong [10] đã đề xuất ứng dụng logic
mờ để điều khiển công suất của các nhà máy điện mặt trời phân tán. Cho đến nay, chưa có nghiên
cứu chi tiết đánh giá về hiệu quả cũng như phân tích đối sánh các phương pháp điều khiển công
suất phản kháng của nguồn điện mặt trời (PV) có công suất lớn trong lưới điện phân phối đô thị ở
Việt Nam.
Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu các phương pháp điều khiển công suất phản kháng của
hệ thống điện mặt trời trong lưới điện phân phối. Từ đó phân tích và kiến nghị lựa chọn phương
pháp điều khiển hỗ trợ công suất phản kháng trong hệ thống điện.
2. Phương pháp điều khiển công suất phản kháng
Lưới điện phân phối có thể được trang bị các thiết bị điều chỉnh điện áp như thiết bị điều
chỉnh điện áp dưới tải của máy biến áp (OLTC), thiết bị điều chỉnh điện áp (VR). Trong lưới điện
có tích hợp PV, thì PV có thể tham gia hỗ trợ điều chỉnh điện áp trong lưới bằng cách điều chỉnh
công suất phản kháng tại điểm kết nối. Khi tham gia vào nhiệm vụ phát công suất phản kháng thì
công suất toàn phần của nghịch lưu bị giới hạn theo công suất định mức của nó.
Đặc tính này cho thấy, để phát thêm công suất phản kháng thì nghịch lưu phải tải công suất
toàn phần lớn hơn công suất tác dụng lớn nhất phát vào lưới. Có hai lựa chọn thường gặp có thể
áp dụng là đặt giá trị công suất phản kháng hoặc hệ số công suất không đổi khi công suất tác
dụng phát ra thay đổi. Ngoài ra có thể phát theo hệ số công suất thay đổi theo công suất tác dụng
hoặc công suất phản kháng theo điện áp.
Các phương pháp điều khiển công suất phản kháng thường gặp đã được đề cập tới trong tiêu
chuẩn của Việt Nam và quốc tế, bao gồm [6], [11], [12]:
Điều khiển với hệ số công suất không đổi;
Điều khiển theo hệ số công suất đặt trước;
Điều khiển hệ số công suất là hàm số của công suất tác dụng phát vào lưới;
Điều khiển công suất phản kháng theo điện áp.
Các phương pháp này có thể được đánh giá tính hiệu quả thông qua số khách hàng bị vi phạm
về điện áp, bù công suất phản kháng và tổn thất.
2.1. Điều khiển với hệ số công suất không đổi
Trong chế độ này, bộ nghịch lưu của PV được điều khiển để làm việc với hệ số công suất
không đổi. Khi đó, công suất phản kháng tiêu thụ từ lưới điện tỷ lệ với công suất tác dụng phát
vào lưới điện. Đây là phương pháp phổ biến hiện nay áp dụng cho các nguồn điện mặt trời mái
nhà công suất nhỏ tại Việt Nam. Tuy nhiên phương pháp này có nhiều hạn chế do không huy
động được sự tham gia của các nguồn điện mặt trời áp mái trong việc vận hành tối ưu lưới điện
phân phối xét trên khía cạnh về chất lượng điện áp.
2.2. Điều khiển theo hệ số công suất đặt trước
Trong phương pháp này, hệ số công suất được lên kế hoạch theo thời gian trong ngày [11],
[12], Hình 1.
Kế hoạch điều chỉnh hệ số công suất được thực hiện là giảm hệ số công suất khi công suất
phát ra của PV cao vào giữa ngày. Ngoài ra nghịch lưu có thể được đặt ở chế độ phát công suất
phản kháng trong những khoảng thời gian nhất định trong ngày để hỗ trợ điều chỉnh điện áp.
TNU Journal of Science and Technology
229(10): 132 - 141
http://jst.tnu.edu.vn 135 Email: jst@tnu.edu.vn
Hình 1. Ví dụ kế hoạch điều khiển hệ số công suất của nghịch lưu
2.3. Điều khiển hệ số công suất là hàm số của công suất tác dụng phát vào lưới
Hệ số công suất được điều khiển dưới dạng là hàm số theo công suất phát vào lưới [12], như
thể hiện trên Hình 2. Vì công suất tác dụng phát ra tỷ lệ với điện áp tại điểm PCC, do đó nghịch
lưu có thể làm việc ở chế độ tiêu thụ công suất phản kháng ở những thời điểm công suất tác dụng
phát ra lớn.
Hình 2. Điều khiển hệ số công suất của nghịch lưu là hàm số của công suất phát ra của PV
Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp điều khiển với hệ số công suất theo kế
hoạch là hệ số công suất được điều khiển theo công suất tác dụng phát vào lưới thực tế của PV
thay vì được ấn định từ trước theo thời gian trong ngày.
2.4. Điều khiển công suất phản kháng theo điện áp
Hình 3. Điều khiển công suất phản kháng của nghịch lưu theo điện áp
TNU Journal of Science and Technology
229(10): 132 - 141
http://jst.tnu.edu.vn 136 Email: jst@tnu.edu.vn
Phương pháp này thường được đề cập tới là phương pháp điều khiển volt-var (V-Q), trong đó
công suất phản kháng được điều khiển tùy theo điện áp tại điểm kết nối [12], như thể hiện trên
Hình 3.
Khi điện áp nằm xung quanh giá trị định mức hoặc mong muốn, nghịch lưu không phát ra
hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Ngoài vùng trên, công suất phản kháng tiêu thụ hoặc phát ra
phụ thuộc vào công suất tác dụng phát ra thực tế.
Công suất phản kháng phát ra theo phương pháp điều khiển này có thể biểu diễn về toán học
như sau:
tVV;tQ
VtVV;tQ
VV
tVV
VtVV;0
VtVV;tQ
VV
tVV
VtV;tQ
tQ
5max
54max
54
4
43
32max
23
3
2max
(1)
Trong đó V(t) là điện áp ở đầu cực; Q(t) là công suất phản kháng nghịch lưu cần cung cấp cho
điểm kết nối.
2.5. Phân tích lựa chọn chiến lược điều khiển công suất phản kháng
Đồ thị phụ tải điển hình của lưới điện phân phối đô thị của Việt Nam được thể hiện trên
Hình 4 [13].
Hình 4. Đồ thị phụ tải của lưới điện phân phối đô thị
Có thể thấy hệ số mang tải thay đổi trong biên độ rộng theo thời gian, từ khoảng 0,4 đến 1.
Ngoài ra, đồ thị phụ tải có bốn khoảng thời gian có đặc điểm khác biệt xét về hệ số mang tải và
cường độ bức xạ mặt trời theo trong ngày, đó là [4]:
(a) Công suất của tải thấp và công suất PV thấp (không có);
(b) Công suất của tải cao và công suất PV cao;
(c) Công suất của tải thấp và công suất của PV cao: Đây là thời điểm có nguy cơ tăng cao
điện áp tại điểm PCC;
(d) Công suất của tải cao và công suất của PV thấp (không có): Đây là thời điểm có nguy cơ
điện áp bị giảm thấp, đặc biệt là tại các nút cuối của xuất tuyến.
Dễ thấy chiến lược điều khiển với hệ số công suất không đổi không phù hợp. Thật vậy, công
suất phản kháng phát ra tại thời điểm t bất kỳ là:
QPV(t) = PPV(t).tgPV (2)
trong đó: PPV(t) là công suất phát của PV và tgPV tương ứng với hệ số công suất được lựa
chọn, có giá trị không đổi. Xét tại thời điểm (c), điện áp có nguy cơ tăng cao, bộ nghịch lưu của
PV phát thêm công suất phản kháng vào lưới thì tình trạng này trở nên trầm trọng hơn.
Chiến lược điều khiển theo hệ số công suất đặt trước theo thời điểm trong ngày hoặc chiến
lược điều khiển với công suất phản kháng là hàm số của công suất tác dụng phát ra của PV đều